Вязкость цемента: ВЗАИМОСВЯЗЬ МЕЖДУ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ВЯЗКОСТЬЮ ЦЕМЕНТНЫХ СИСТЕМ И ИХ РЕОТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ | Рахимбаев

Некоторые особенности влияния базальтовой фибры на ударную вязкость мелкозернистого бетона

Библиографическое описание:

Алексеев, К. Н. Некоторые особенности влияния базальтовой фибры на ударную вязкость мелкозернистого бетона / К. Н. Алексеев, Е. В. Захаров. — Текст : непосредственный // Молодой ученый. — 2015. — № 22 (102). — С. 118-121. — URL: https://moluch.ru/archive/102/23493/ (дата обращения: 28.11.2022).

Как известно, одним из способов повышения прочностных показателей строительных материалов на цементном вяжущем является введение в их состав различных армирующих наполнителей, в том числе базальтового волокна (фибры диаметром 10-20мкм) [1, 2].

Проведенными в ИГДС СО РАН исследованиями установлено, что дисперсное армирование мелкозернистого бетона базальтовым волокном является эффективным средством повышения прочности при изгибающих нагрузках [3]. Была показана перспективность использования базальтовой фибры для получения композиционных материалов с высокими эксплуатационными свойствами [3, 4]. В настоящее время сохраняется актуальность дальнейшего проведения работ в этом направлении, к примеру, значительный научный и практический интерес представляют исследования в области изучения энергетических показателей разрушения композиционных строительных материалов армированных базальтовой фиброй. В связи с этим, были проведены исследования влияния базальтового волокна на изменение ударной вязкости мелкозернистого бетона.

Ударная вязкость мелкозернистого бетона определялась по методу Шарпи, в основном, применяемом для металлов (ГОСТ 9454-78) и пластмасс (ГОСТ 4647-80). Сущность испытаний заключалась в том, что лежащий на двух опорах образец подвергался удару маятника, причем линия удара находилась посередине между опорами. Ударная вязкость образцов (Дж/м2) определялась как отношение работы, затраченной на его разрушение, к площади образца в плоскости удара (рис. 1).

Рис. 1. Испытание по методу Шарпи

Ввиду отсутствия, каких либо стандартов при исследовании образцов бетона и горных пород на маятниковых копрах, размеры исследуемых образцов подбирались опытным путем [5]. Оптимальные геометрические размеры испытуемых образцов, для испытаний на маятниковом копре БКМ-5-2 с максимальным запасом энергии 50 Дж, составили — 2525100 мм. Молот маятника выбирался таким образом, чтобы работа разрушения образца составляла не менее 10 %, но не более 80 % запаса энергии маятника. Таким образом, после предварительных испытаний, был выбран молот с запасом энергии 10 Дж. Для более точного разлома образца, в плоскости удара с противоположной стороны наносился U-образный пропил, концентратор напряжений глубиной 2 мм (рис. 2).

Рис. 2. Образцы размерами 2525100мм с U-образным концентратором напряжений

В ходе изготовления образцов использовались следующие материалы:

        Рубленное базальтовое волокно (БВ) производства ОАО «Ивотстекло», СБ 12-р-13-к (длина 12мм, Ø 13мкм, крахмальный замасливатель), ТУ 5952-036-05328981-2005;

        Цемент марки М400, производства ОАО ПО «ЯКУТЦЕМЕНТ»;

        Песок (П) речной, карьер «Пригородный» (г. Якутск), сод. ГИП = 0.39 %, насыпная плотность 1400кг/м3, Мк = 1,2.

Содержание базальтового волокна в смеси варьировалось от 0 до 2 % от массы цемента (табл. 1). Уплотнение фиброцементной смеси проводилось на виброплощадке СМЖ — 539. Образцы выдерживались в эксикаторах при 100 % влажности среды и температуре 20±1⁰С. Ударная вязкость определялась в возрасте 7 суток.

После разрушения образца рассчитывалась площадь поверхности образованная в месте среза, затем зная затраченную работу (определяемую по шкале копра), вычисляли ударную вязкость разрушения образца (Дж/м2) образца по формуле:

, (1)

где, W — затраты энергии на разрушение образца по маятнику, Дж; S — площадь образованной поверхности, м2.

Результаты проведенных испытаний приведены на рисунках 3, 4 и таблице 1.

Таблица 1

Физико-технические характеристики исследуемых составов мелкозернистого бетона

Рис. 3. Изменение ударной вязкости образцов мелкозернистого бетона в зависимости от содержания базальтового волокна и объёмного соотношения Цемента/Песка

Рис. 4. Относительное изменение ударной вязкости образцов мелкозернистого бетона в зависимости от содержания базальтового волокна и объёмного соотношения Цемента/Песка

Как видно из графиков представленных на рисунках 3 и 4 при введении базальтовой фибры в количестве 2 % от массы вяжущего, ударная вязкость бетона возрастает на 18 — 35 % от исходной, в зависимости от объёмного соотношения цемента и песка.

Полученные закономерности могут быть использованы при разработке бетонов с высокими эксплуатационными свойствами, например фибро-армированных торкретбетонов, более стойких к ударным нагрузкам.

Литература:

1. 
   Рабинович Ф.М. Композиты на основе дисперсно-армированных бетонов. Вопросы теории и проектирования, технологии и конструкции / Ф.М. Рабинович. М.: Изд-во АСВ, 2004. 560 с.
2. 
   Боровских И.В. Высокопрочный тонкозернистый базальтофибробетон // Автореферат дисс… канд. техн. наук. — Казань, 2009. — 21 с.
3. 
   Алексеев К.Н. Некоторые особенности влияния технологии введения базальтового волокна (Ø 13 мкм) на предел прочности мелкозернистого бетона при изгибе / Алексеев К.Н. // «Проблемы горных наук: взгляд молодых учёных» матер. Республ. науч. конф. молодых ученых и специалистов, посвящ. памяти академика РАН Н. В. Черского. — Якутск: Изд-во АКСААН, 2014. — С. 6 — 10.
4. 
   Алексеев К.Н. Перспективы применения базальто-фиброармированных теплозащитных набрыгзбетонных покрытий в условиях рудников криолитозоны / Алексеев К.Н. // «Геокриология — прошлое, настоящее, будущее»: матер. Всерос. науч. молодежного форума посвящ. 50-летию ИМЗ СО РАН. — Якутск: Изд-во ИМЗ СО РАН, 2010. — С. 147–149.
5. 
   Захаров Е.В.Определение энергоемкости разрушения известняков на маятниковом копре /Е.В. Захаров// «ЭРЭЛ-2011»: Материалы Всероссийской конференции научной молодежи. — Якутск: Изд-во ООО «Цумори Пресс», 2011. — Том 1. — С. 83-86.

Основные термины (генерируются автоматически): базальтовое волокно, мелкозернистый бетон, ударная вязкость, базальтовая фибра, объемное соотношение цемента, ударная вязкость образцов, метод Шарпи, плоскость удара, производство ОАО, разрушение образца.

Технологические приемы изготовления дисперсно-армированного…

Некоторые особенности влияния базальтовой фибры на ударную вязкость мелкозернистого бетона. Исследование кинетики водопоглощения мелкозернистого бетона. Деформационные характеристики геополимерного бетона и несущая способность железобетонной балки на его…

Влияние полипропиленового

волокна на сопротивляемость…

цементный камень, ударная вязкость, полипропиленовое волокно, KCU, маятниковый копер, ударная вязкость образцов, метод Шарпи, плоскость удара, проектный возраст, масса цемента.

Влияние фибрового армирования на свойства… | Молодой ученый

Таблица 5. Испытания бетонных образцов.

Время до полного разрушения при испытании на изгиб, с. 0.

Как видно из таблицы увеличение фибры ведет к прочностным характеристикам бетона.

Исследование кинетики водопоглощения

мелкозернистого бетона

Некоторые особенности влияния базальтовой фибры на ударную вязкость мелкозернистого бетона. Исследование кинетики формирования многокомпонентных материалов.

Самоуплотняющиеся бетонные смеси с раздельным введением…

2.1 Методы исследований и результаты испытаний. Материалы: Цемент (Ц) – ЦЕМ I 42. 5н ЗАО «Мальцевский

Осадка конуса при добавлении фибры несколько понижается, благодаря адсобции водного раствора.

Приготовление образцов бетона осуществлялось вручную.

Поиск эффективных

методов повышения конструкционных…

Методы определения прочности по контрольным образцам»[2]. Результаты и обсуждения.

Отметим, что увеличение концентрации базальтовой фибры более 0,75 % от массы цемента способствует

Подобная зависимость не характерна для полипропиленового волокна.

Эффективность применения высокопрочного

бетона при…

В мелкозернистых бетонах использовался кварцевый песок Просяновекого карьера с модулем крупности 1.9. Опытные образцы — кубы с ребром 100 и 150 мм, призмы

Мещерин В. : «Высокопрочные и сверхпрочные бетоны: технологии производства и сферы применения».

Фибробетон и его использование в северных регионах России

Фибру для бетона условно можно разделить на две группы

Синтетическая фибра (полиэтилен, полипропилен и другие синтетические волокна)

В результате получается уникальный материал, обладающий высоким сопротивлением к ударам, температуре…

Модификаторы вязкости бетонной смеси (стабилизаторы)

Проникновение цемента высокой вязкости в сравнении с цементом низкой вязкости на этапе замешивания in vivo при первичной тотальной артропластике коленного сустава

. 2021 июнь;36(6):1995-1999.

doi: 10.1016/j.arth.2021.02.010.

Epub 2021 9 фев.

Майкл Г Риццо
¹
, Аня Т Холл
¹
, Джастин Т. Даунинг
¹
, Раймонд П. Робинсон
¹

принадлежность

• ¹ Кафедра ортопедической хирургии, Университет Майами, Медицинская школа Миллера, Майами, Флорида.

• PMID:

  33707124

• DOI:

  10.1016/ж.арт.2021.02.010

Майкл Г. Риццо и др.

J Артропластика.

2021 июнь

. 2021 июнь;36(6):1995-1999.

doi: 10.1016/j.arth.2021.02.010.

Epub 2021 9 фев.

Авторы

Майкл Г Риццо
¹
, Аня Т Холл
¹
, Джастин Т. Даунинг
¹
, Раймонд П. Робинсон
¹

принадлежность

• ¹ Кафедра ортопедической хирургии, Университет Майами, Медицинская школа Миллера, Майами, Флорида.

• PMID:

  33707124

• DOI:

  10.1016/ж.арт.2021.02.010

Абстрактный

Фон:

Предыдущие исследования показали, что глубина проникновения цемента и наличие рентгенопрозрачных линий (RLL) соответствуют риску асептического расшатывания при тотальном эндопротезировании коленного сустава, в то время как другие обнаружили корреляцию между вязкостью цемента и глубиной проникновения цемента. Мы сравнили цемент, продаваемый как цемент высокой вязкости (HVC), с цементом, продаваемым тем же производителем, что и цемент низкой вязкости (LVC). Мы предположили, что не будет обнаружено существенной разницы в глубине проникновения или наличии RLL между двумя когортами.

Методы:

Когорты HVC (n = 50) и LVC (n = 50) были собраны из двух последовательных серий первичных тотальных эндопротезирований коленного сустава с использованием одних и тех же имплантатов и методов цементирования. Глубина проникновения цемента и наличие RLL измерялись в четырех большеберцовых зонах и сравнивались между когортами.

Полученные результаты:

Случаев асептического расшатывания ни в одной из групп не было (в среднем 29).месяцы. Среднее максимальное проникновение цемента в 3 из 4 зон было >3 мм для обоих цементов. Не было существенной разницы в максимальном проникновении в любой зоне между двумя цементами. При HVC было меньше рентгенопрозрачностей большеберцовой кости, чем при LVC.

Вывод:

Эти результаты показывают, что маркетинговое описание HVC или LVC не обязательно является фактором проникновения цемента. Термин «высокая вязкость» не следует использовать в качестве описания цемента, который быстрее достигает фазы теста, а скорее цемента, который имеет более высокую вязкость в своей фазе теста, когда он обычно применяется.

Ключевые слова:

асептическое расшатывание; биоматериалы; проникновение цемента; вязкость цемента; рентгенопрозрачные линии; тотальное эндопротезирование коленного сустава.

Copyright © 2021 Elsevier Inc. Все права защищены.

Похожие статьи

• Отказ на границе цемент-имплантат большеберцовой кости при использовании цемента высокой вязкости при тотальном эндопротезировании коленного сустава.

  Копински Дж. Э., Аггарвал А., Нанли Р. М., Барак Р. Л., Нам Д.
  Копинский Дж.Е. и соавт.
  J Артропластика. 2016 ноябрь;31(11):2579-2582. doi: 10.1016/j.arth.2016.03.063. Epub 2016 12 апр.
  J Артропластика. 2016.

  PMID: 27155996

• Первичное тотальное эндопротезирование коленного сустава, выполненное с использованием цемента высокой вязкости, связано с более высокими шансами ревизии по поводу асептического расшатывания.

  Buller LT, Rao V, Chiu YF, Nam D, McLawhorn AS.
  Буллер Л.Т. и др.
  J Артропластика. 2020 июнь; 35 (6S): S182-S189. doi: 10.1016/j.arth.2019.08.023. Epub 2019 16 августа.
  J Артропластика. 2020.

  PMID: 31521443

• Низкие показатели асептического расшатывания большеберцовой кости у пациентов с ожирением при использовании высоковязкого цемента и стандартной большеберцовой ложки: последующее наблюдение минимум через 2 года.

  Кроуфорд Д.А., Беренд К.Р., Нам Д., Барак Р.Л., Адамс Дж.Б., Ломбарди А.В. мл.
  Кроуфорд Д.А. и соавт.
  J Артропластика. 2017 Сентябрь;32(9S):S183-S186. doi: 10.1016/j.arth.2017.04.018. Epub 2017 22 апр.
  J Артропластика. 2017.

  PMID: 28511945

• Методы цементирования большеберцового компонента при первичной тотальной замене коленного сустава.

  Коули Д.Т., Келли Н., МакГарри Дж.П., Шеннон Ф.Дж.
  Коули Д.Т. и др.
  Bone Joint J. 2013 Mar; 95-B(3):295-300. doi: 10.1302/0301-620X.95B3.29586.
  Костяной сустав Дж. 2013.

  PMID: 23450010

  Обзор.

• Сравнение цемента высокой и низкой вязкости при лечении компрессионных переломов позвонков: систематический обзор и метаанализ.

  Zhang ZF, Huang H, Chen S, Liu DH, Feng YH, Xie CL, Jiao F.
  Чжан ЗФ и др.
  Медицина (Балтимор). 2018 март;97(12):e0184. doi: 10.1097/MD.0000000000010184.
  Медицина (Балтимор). 2018.

  PMID: 29561435
  Бесплатная статья ЧВК.

  Обзор.

Посмотреть все похожие статьи

Цитируется

• Влияние жгута на проникновение цемента при тотальном эндопротезировании коленного сустава.

  Зак С.Г., Танг А., Пивек Р., Мефтах М., Остин М.С., Шнасер Э., Шварцкопф Р.
  Зак С.Г. и др.
  Arch Orthop Trauma Surg. 13 мая 2022 г. doi: 10.1007/s00402-022-04470-w. Онлайн перед печатью.
  Arch Orthop Trauma Surg. 2022.

  PMID: 35552801

термины MeSH

вещества

Влияние водоцементного отношения на изменение вязкости цементного раствора при проницаемом растворе

На этой странице

РезюмеВведениеЗаключениеДоступность данныхКонфликты интересовБлагодарностиСсылкиАвторское правоСтатьи по теме

Радиус диффузии является важным строительным параметром, поскольку он может существенно влиять на эффективность цементации. Теоретические модели для предсказания радиуса диффузии практиковались, но все еще существуют значительные расхождения между теоретическими расчетами и реальными результатами практического построения. Одной из важнейших причин неправильного прогноза является поведение цементного раствора в зависимости от времени, на которое существенно влияет водоцементное отношение (В/Ц). Таким образом, в этой статье экспериментально и численно изучается влияние В/Ц на изменение вязкости цементного раствора и процесса цементирования. Во-первых, кажущаяся вязкость цементного раствора при различном В/Ц проверяется ротационным вискозиметром в лабораторном эксперименте. Впоследствии на основе лабораторных испытаний создаются численные модели для исследования влияния В/Ц на процесс диффузии цементного раствора в слоях песка. По результатам лабораторных исследований кажущаяся вязкость цементных растворов снижается с увеличением В/Ц. Кроме того, кажущаяся вязкость увеличивается со временем, а диапазон увеличения кажущейся вязкости сначала увеличивается, а затем уменьшается по мере увеличения В/Ц. Основываясь на результатах моделирования, при изменении В/Ц от 0,8 до 1,1 радиус диффузии при 60 мин испытывает все менее и менее очевидное увеличение при заданном давлении цементации для проникающего цементирования в песчаном слое. Когда В/Ц равно 0,9, относительная ошибка достигает 37,65% при 60 мин, что немного ниже, чем у 0,8. Однако при изменении В/Ц от 0,9 до 1,0 относительная погрешность становится очень узкой (21,36%), и этот показатель значительно меньше, чем при 0,8 или 0,9. Результаты моделирования подтверждены полевыми испытаниями, относительная погрешность составляет 6%, что свидетельствует об эффективности анализа. Таким образом, модель проникновения цемента, учитывающая изменение вязкости цементного раствора, является разумной альтернативой в реальном проекте. При этом следует учитывать зависимость поведения цементных растворов от времени, особенно при использовании в практическом строительстве цементных растворов с низким водоцементным отношением.

1. Введение

Неблагоприятное основание является распространенной проблемой в гражданском и транспортном строительстве. Стоимость обработки фундамента иногда может составлять более половины общей стоимости инженерного строительства, поэтому улучшение фундамента становится критически важным. Проникающая заливка цементными растворами широко используется для улучшения фундаментов благодаря простоте конструкции и высокой эффективности [1–3]. Однако на эффективность тампонирования в практическом инженерном деле существенное влияние оказывают свойства тампонажных материалов и геологические условия [4]. Кроме того, разумная оценка параметров заливки перед практическим проектированием поможет конструкции заливки выполнить требования по относительно низкой цене. Чтобы повысить точность расчета, ученые исследовали инъекционный раствор с разных точек зрения. Например, некоторые выдвигают теоретические расчеты, основанные на некоторых допущениях и упрощениях. Ян и др. [5] и Ye et al. [6] установили теоретические модели, основанные на различных конститутивных моделях схемы течения, и вывели расчетные формулы для диапазона диффузии или давления цементации для инъекционного цементирования. Кроме того, некоторые исследователи изучали инъекционное цементирование с использованием экспериментальных и численных методов. Например, Селик [7] исследовал характеристики проникающего раствора на основе цемента, основываясь на некоторых важных параметрах раствора, таких как реологические свойства, коэффициент проницаемости для раствора и нагнетаемость цементного раствора. Точно так же, основываясь на теории несмешивающихся многофазных потоков, Коскун и Токдемир [8] создали математическую модель проницаемой цементации в полностью насыщенном грунте. Кроме того, Fu et al. [9] предложил математическую модель инъекционного цементирования в соответствии с эффектом собственного веса цементного раствора и установил модель прогнозирования размера схватывания цементного раствора Бингама. Кроме того, Фу и соавт. разработали комплекс устройств для испытаний тампонажных растворов, которые состоят из силового устройства, напорного шламонакопителя и нескольких испытательных рам [9]. В качестве показателей оценки армирующего эффекта цементации были выбраны прочность на сжатие, модуль деформации и коэффициент проницаемости.

С другой стороны, исследователи придают большое значение влиянию растворов на эффективность цементирования. Среди прочего, некоторые ученые пытались улучшить теоретические формулы, используя новые методы, чтобы получить более точные реологические параметры. Дай и Бёрд [10] представили другой подход к установлению уравнения типа Рейнольдса в теории смазки с помощью вариационной теории. Кроме того, Рахман и др. [11, 12] измеряли статические и динамические напряжения текучести с помощью различных методов измерения. Кроме того, другие ученые исследовали влияние цементирующих материалов на процесс диффузии. Действительно, мощность, затрачиваемая механизмом впрыска, представляет собой энергию, рассеиваемую вязкими эффектами. Основываясь на этом факте, Эль Тани [13] получил радиальный расход цементного раствора в трещине горной породы из соотношения Бингама. Чжан и др. [14] рассматривали быстросхватывающуюся суспензию как жидкость Бингама с зависящим от времени поведением и использовали модель четной капиллярной группы для описания процесса пористого течения. Они предложили тщательно учитывать пространственное неравномерное распределение вязкости при проектировании цементации. В настоящее время исследования сосредоточены либо на измерении вязкости, либо на изменении вязкости при одном В/Ц. Исследования влияния В/Ц на изменение вязкости и процесс диффузии проводятся относительно редко. Кроме того, количественно не исследовано несоответствие между радиусом диффузии с учетом поведения, зависящего от времени, и без учета разного В/Ц.

Поэтому в данной работе проводятся лабораторные эксперименты и численное моделирование для исследования влияния В/Ц на радиус диффузии цементных растворов в песчаном слое, а также расхождений между радиусом диффузии с учетом поведения, зависящего от времени, и что не учитывая. В частности, сначала были проведены лабораторные испытания по измерению кажущейся вязкости цементных растворов при различном В/Ц, после чего были исследованы характеристики изменения вязкости путем подгонки измеренной кажущейся вязкости к ORIGIN. Впоследствии, на основе полученного поведения цементных растворов во времени, COMSOL создал расчетные модели для моделирования процесса диффузии цементного раствора в слое песка. Кроме того, было проведено сравнение результатов моделирования с учетом и без учета поведения во времени при различном В/Ц и проанализировано влияние В/Ц на проникновение цементного раствора.

2. Лабораторный эксперимент по определению вязкости цементного раствора

2.1. Экспериментальные инструменты и испытательный материал

Лабораторные эксперименты сосредоточены на изучении реологических свойств чистых цементных растворов, и рассматриваемый диапазон В/Ц составляет 0,5-1,1, широко используемый в практической инженерии. Согласно Ruan [15], цементные растворы с В/Ц 0,5-0,7 могут быть классифицированы как жидкость со степенным законом, тогда как растворы с В/Ц 0,8-1,0 обычно классифицируются как жидкость Бингама.

В эксперименте для приготовления свежего цементного раствора использовался смеситель типа YDNJ-160A (рис. 1). Для точного измерения кажущейся вязкости был принят ротационный вискозиметр типа NXS-11B (рис. 2), а основные технические показатели вискозиметра показаны в таблице 1.

Цемент, использованный в эксперименте, представляет собой портландцемент (ПЦ) класса 42,5 производства Sunnsy Group в Цзинане. Основной химический состав приведен в таблице 2.

2.2. Процедура испытаний

Свежие цементные растворы с В/Ц 0,5~1,1 сначала готовили и хранили в термостате при температуре 20°. В последующем измеряли кажущуюся вязкость растворов с самого начала до 40 мин каждые 10 минут. Затем были проанализированы характеристики изменения вязкости цементных растворов при различном В/Ц путем подбора измеренной кажущейся вязкости с помощью программного обеспечения ORIGIN. Наконец, были сформированы математические уравнения, описывающие поведение цементных растворов в зависимости от времени при различном В/Ц (спецификация для геотехнических испытаний).

2.3. Обсуждение результатов эксперимента

Кажущаяся вязкость цементных растворов при различном В/Ц показана в таблице 3. На основании предыдущих исследований [16] зависимость между кажущейся вязкостью цементных материалов для тампонажных работ и временем может быть представлена ​​в виде функции натурального логарифма. .

Подгоночные кривые представлены на рисунках 3 и 4. Согласно рисункам 3 и 4, в этот же момент кажущаяся вязкость растворов уменьшается при увеличении В/Ц от 0,5 до 1,1, а кажущаяся вязкость при В/Ц 0,5 -0,7 на порядок выше, чем 0,8~1,1. Кроме того, диапазон увеличения кажущейся вязкости сначала увеличивается, а затем уменьшается по мере увеличения В/Ц. Когда В/Ц составляет 0,5 и 0,6, диапазон увеличения менее чем в 2 раза превышает начальную вязкость. По мере увеличения В/Ц с 0,7 до 0,9, при увеличении размах увеличивается с 3,74 раза до 4,39 раза. Однако диапазон возрастания падает с 4,08 до 3,32 раза при увеличении В/Ц с 1,0 до 1,1. В заключение, влияние В/Ц на зависящее от времени поведение сначала увеличивается, а затем уменьшается по мере увеличения В/Ц.

Следовательно, необходимо учитывать поведение цементного раствора во времени, чтобы обеспечить эффективность заливки в период проектирования и строительства.

По результатам испытаний проанализированы закономерности варьирования прочности на сдвиг и плотности раствора при различных водоцементных отношениях, как показано на рисунках 5 и 6. Очевидно, что с увеличением водоцементного отношения плотность уменьшается линейно, и прочность на сдвиг также уменьшается. Когда В/Ц больше 0,9, тенденция изменения уменьшается.

3. Анализ численного моделирования

На основе полученного поведения цементных растворов во времени, COMSOL используется для моделирования процесса диффузии цементных растворов и расчета радиуса диффузии при различном В/Ц. Учитывая, что инъекционная заливка под постоянным давлением заливки широко используется в практической инженерии, данное исследование сосредоточено на влиянии В/Ц на процесс заливки при заданном давлении заливки. Речь идет о цементном растворе при В/Ц 0,8~1,1, поскольку существует множество связанных теоретических анализов жидкости Бингама [17], и их удобно сравнивать с результатами моделирования. Фактически, цементный раствор с В/Ц около 1,0 широко используется в практической инженерии.

Вязкость считается константой и равна начальной вязкости, если не учитывать поведение, зависящее от времени. Хотя изменение вязкости принимается во внимание, изменение вязкости эквивалентно средней вязкости путем интегрирования. Уравнение может быть выражено следующим образом:
где и – средняя вязкость цементного раствора и вязкость воды соответственно; β – это отношение вязкости цементного раствора к воде, а также полное время затирки.

3.1. Настройка параметров

Перед созданием модели расчета необходимо сделать следующие допущения:
(1) Гравитацией в процессе цементации можно пренебречь (2) Предел текучести рассматривается как константа со значением 3  Па (3) Проникающая цементация начинается с нижней части цементировочной трубы, и цементный раствор сферически проникает в слой песка под давление цементации 300 кПа

В модуле механики твердого тела поверхность задается как граница свободной деформации. Левая и правая границы модели задаются как опорные границы роликов, которые допускают только вертикальное смещение, а не поперечное смещение. Нижняя граница расчетной модели задается фиксированной. В модуле механики фильтрации высота уровня грунтовых вод задается соответствующей высоте поверхности, а левая и правая границы и нижняя граница расчетной модели задаются как граница отсутствия потока, то есть .

Модель численного моделирования представлена ​​на рисунке 7, а основные параметры численной модели представлены в таблице 4. Правая часть рисунка 7 представляет собой локальный увеличенный чертеж заливочной скважины. В исходном состоянии часть I и часть II заполнены водой и цементным раствором соответственно, а часть III представляет собой отверстие для заливки цементным раствором радиусом 30 мм. Вход в цементный раствор — это граница (F), а выход — границы (A), (B), (C) и (D).

3.2. Достоверность численной модели

Перед моделированием заливки цементным раствором с учетом различных В/Ц правильность расчетной модели сначала проверяется путем сравнения результатов моделирования с результатами, рассчитанными с помощью широко распространенного теоретического расчета [18]. Радиус диффузии с учетом поведения, зависящего от времени, теоретически может быть рассчитан в соответствии с
где — перепад давления; , , , – коэффициент водопроницаемости, отношение вязкости цементного раствора к вязкости воды, пористость песчаного слоя и удельный вес воды соответственно; и – диффузионный радиус и радиус тампонажной трубы соответственно; и , , и – начальное давление, предел текучести и радиус капилляра соответственно.

На основании полученных результатов относительная погрешность между радиусом диффузии, полученным теоретическим расчетом, и численным моделированием при соотношении В/Ц, равном 0,8, показана на рис. 8. Следует отметить, что относительные погрешности находятся в пределах 3%, что свидетельствует о том, что моделирование может хорошо отражать процесс диффузии. Таким образом, использование COMSOL для дальнейшего анализа влияния В/Ц на процесс цементации является разумной альтернативой.

После подтверждения правильности расчетной модели проводятся всесторонние исследования для изучения влияния В/Ц на радиус диффузии цементации в песчаном слое. Кроме того, количественно анализируется относительная погрешность учета зависимости вязкости от времени при различных В/Ц.

3.3. Обсуждение смоделированного результата

3.3.1. Влияние В/Ц на радиус диффузии

Радиус диффузии цементных растворов при различных В/Ц показан на рис. 7. Согласно рис. 9, радиус диффузии увеличивается с увеличением В/Ц от 0,8 до 1,1, что указывает на то, что большее значение /C приведет к большему радиусу диффузии. В частности, при изменении отношения В/Ц от 0,8 до 0,9 радиус диффузии при 60 мин резко увеличивается с увеличением диапазона на 18%. Тенденция к увеличению становится менее очевидной, когда отношение В/Ц повышается с 0,9.до 1.1. Кроме того, радиус диффузии при одном и том же В/Ц со временем увеличивается, а скорость роста становится малой. Скорость затухания уменьшается по мере увеличения отношения В/Ц от 0,8 до 1,1. Одна из возможных причин заключается в том, что давление цементации ослабевает быстрее для цементных растворов с более высоким В/Ц, потому что цементным растворам с высокой концентрацией требуется больше энергии при диффузии в песчаный слой.

3.3.2. Влияние W/C на относительную погрешность радиуса диффузии с учетом учета нестационарного поведения

Сравниваются смоделированные результаты с учетом зависимости от времени и без учета зависимости от времени, а также теоретический радиус диффузии при различном В/Ц. Основываясь на полученных результатах, радиус диффузии при водоцементном отношении 0,8-1,1 показан на рисунке 10. Примечательно, что теоретические радиусы и смоделированные результаты с учетом поведения в зависимости от времени при всех В/Ц показывают хорошее совпадение и остаются стабильными после 40 мин., что соответствует реальным условиям. С уменьшением давления цементации радиус диффузии незначительно увеличивается и в конечном итоге приближается к постоянному значению. Напротив, радиус диффузии без учета зависимости от времени резко возрастает со временем, что приводит к увеличению разрыва с теоретическим радиусом или смоделированным результатом с учетом изменения вязкости цементных растворов.

Для количественного исследования влияния В/Ц были получены относительные погрешности между смоделированными результатами без учета изменения вязкости и теоретическим радиусом при различных В/Ц (см. результат на рисунке 11). Влияние В/Ц на относительную погрешность радиуса диффузии с учетом изменения вязкости уменьшается с увеличением В/Ц от 0,8 до 1,1. При В/Ц = 0,8 относительная погрешность резко увеличивается со временем, достигая почти 40 % при 60 мин. Точно так же, когда В/Ц равно 0,9, относительная ошибка достигает 37,65% при 60 мин, что немного ниже, чем у 0,8. Однако при изменении В/Ц от 0,9 до 1,0 относительная ошибка становится более узкой (21,36%), и этот показатель значительно ниже, чем при 0,8 или 0,9. Относительная ошибка немного падает, когда отношение В/Ц увеличивается до 1,1, возможно, из-за того, что поведение, зависящее от времени, ослабевает при увеличении В/Ц.

3.3.3. Полевые испытания цементного раствора с радиусом диффузии

Для проверки результатов анализа и численного моделирования в настоящем документе были проведены полевые испытания цементного раствора в зоне удара реки Хуанхэ. В соответствии с указанными выше параметрами моделирования устанавливается раствор с различным водоцементным отношением, а время заливки составляет 60 минут (технические условия для заливки земляной дамбы). После цементации, через 72 часа, часть цементации выкапывается (см. Рисунок 12).

После земляных работ подробно рассчитывается радиус цементации при различных соотношениях воды и цемента (см. конкретные параметры в Таблице 5).

Результаты полевых испытаний показывают, что с увеличением водоцементного отношения радиус диффузии цементного раствора постепенно увеличивается. Кроме того, сравниваются результаты испытаний и моделирования. Установлено, что средняя ошибка радиуса диффузии пульпы между результатами моделирования и результатами полевых испытаний составляет 6% (см. рис. 13), а результаты моделирования хорошо согласуются с результатами испытаний, что подтверждает выводы анализа в данном бумага.

4. Заключение

Для того, чтобы исследовать изменение вязкости цементных растворов при различном В/Ц и влияние В/Ц на процесс проницаемости раствора в песчаном слое, в данной статье были проведены лабораторные эксперименты и численное моделирование. В частности, лабораторные испытания сосредоточены на изучении влияния В/Ц на кажущуюся вязкость чистых цементных растворов. Затем проводится численное моделирование для воспроизведения процесса заливки цементных растворов и изучения радиуса диффузии при рассмотрении поведения в зависимости от времени при различном В/Ц. На основании полученных результатов делаются следующие выводы:
(1) Кажущаяся вязкость цементных растворов уменьшается с увеличением отношения В/Ц. Кажущаяся вязкость увеличивается со временем. Кроме того, диапазон увеличения кажущейся вязкости сначала увеличивается, а затем уменьшается по мере увеличения В/Ц. давление цементации для проницаемости цементации в слое песка(3)Для исследованных случаев относительная погрешность радиуса диффузии, полученная путем теоретического анализа и численного моделирования без учета изменения вязкости, снижается при увеличении В/Ц(4)Согласно результатам испытаний, радиус диффузии цементного раствора постепенно увеличивается, и результаты испытаний и моделирования сравниваются. Установлено, что средняя ошибка радиуса диффузии пульпы между результатами моделирования и результатами полевых испытаний составляет 6%, а результаты моделирования хорошо согласуются с результатами испытаний

Доступность данных

Некоторые или все данные, модели или код, сгенерированные или использованные в ходе исследования, можно получить у соответствующего автора по запросу.

Конфликт интересов

Мы заявляем, что у нас нет коммерческих или ассоциативных интересов, которые представляют собой конфликт интересов в связи с представленной работой.

Благодарности

Эта работа была поддержана Шаньдунским ключевым планом исследований и разработок (2019JZZY010429) и Научно-техническим планом Департамента транспорта Шаньдуна (2019 г.).В48).

Ссылки

1. S. C. Liu, R. T. Liu, Q. S. Zhang и X. Zhang, «Защита от проникновения воды или грязи в туннели путем цементации: обзор», Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering , vol. 8, нет. 5, стр. 753–766, 2016 г.

   Посмотреть по адресу:

   Сайт издателя | Google Scholar

2. Х. Дж. Сео, Х. Чой и И. М. Ли, «Численное и экспериментальное исследование армирования колонн с заливкой под давлением и предварительным напряжением», Тоннелестроение и подземная космическая техника , вып. 54, стр. 135–144, 2016.

   Посмотреть по адресу:

   Сайт издателя | Google Scholar

3. Q. Zhang, HB Wang, R. T. Liu et al., «Механизм инфильтрационного цементирования пористой среды с учетом путей диффузии цементного раствора», Yantu Gongcheng Xuebao/Chinese Journal of Geotechnical Engineering , vol. 40, стр. 918–924, 2018.

   Посмотреть по адресу:

   Сайт издателя | Академия Google

4. Z. Li, L. Zhang, Q. Zhang, R. Liu, W. Yang, and Y. Chu, «Моделирование эффекта усиления проникновения цементного раствора песчаного слоя», Meitan Xuebao/Journal of the China Coal Society , том. 43, стр. 3488–3497, 2018.

   Посмотреть по адресу:

   Сайт издателя | Google Scholar

5. Z. Yang, X. Niu, K. Hou et al., «Исследование параметров диффузии жидкости Бингема на основе заливки раствором колонны-полусферы», Journal of Sichuan University (Chinese Journal of Geotechnical Engineering) , том. 28, нет. 12, стр. 47–53, 2015.

   Просмотр по адресу:

   Google Scholar

6. туннеля, учитывая снижение его вязкости», Zhongguo Gonglu Xuebao (China Journal of Highway and Transport) , vol. 26, нет. 1, стр. 127–134, 2013.

   Посмотреть по адресу:

   Google Scholar

7. Ф. Челик, «Наблюдение за методом проникающего цементирования как методом улучшения почвы с использованием различных моделей потока цементного раствора», Геомеханика и машиностроение , вып. 17, нет. 4, стр. 367–374, 2019.

   Посмотреть по адресу:

   Сайт издателя | Google Scholar

8. С. Б. Коскун и Т. Токдемир, «Моделирование проникновения цементного раствора через грунты», Journal of Applied Engineering Sciences , vol. 10, нет. 1, стр. 11–16, 2020 г.

   Посмотреть по адресу:

   Сайт издателя | Google Scholar

9. Ю. Фу, С. Ван, С. Чжан и Ю. Ян, «Моделирование заливки цементным раствором с учетом эффекта собственной гравитации цементного раствора: теоретическое и экспериментальное исследование», Достижения в области материаловедения и инженерии , vol. 2019 г., идентификатор статьи 7968240, 16 страниц, 2019 г.

   Посмотреть по адресу:

   Сайт издателя | Google Scholar

10. Г. Дай и Р. Б. Берд, «Радиальный поток жидкости Бингама между двумя неподвижными круглыми дисками», Журнал неньютоновской механики жидкости , том. 8, нет. 3–4, стр. 349–355, 1981.

    Посмотреть по адресу:

    Сайт издателя | Google Scholar

11. М. Рахман, У. Хоканссон и Дж. Виклунд, «Поточные реологические измерения цементных растворов: влияние водоцементного отношения и гидратации», Тоннелестроение и подземная космическая техника , вып. 45, стр. 34–42, 2015 г.

    Посмотреть по адресу:

    Сайт издателя | Google Scholar

12. М. Рахман, Дж. Виклунд, Р. Коце и У. Хоканссон, «Предел текучести цементных растворов», Tunneling and Underground Space Technology , vol. 61, стр. 50–60, 2017.

    Посмотреть по адресу:

    Сайт издателя | Google Scholar

13. М. Эль Тани, «Заполнение трещин в горных породах цементным раствором», Rock Mechanics and Rock Engineering , vol. 45, нет. 4, стр. 547–561, 2012 г.

    Посмотреть по адресу:

    Сайт издателя | Google Scholar

14. Q. N. Zhang, L. W. Zhang, X. Z. Zhang, R. Liu, M. Zhu, and D. Zheng, «Рассеивание цементного раствора в горизонтальной трещине с учетом временных и пространственных изменений вязкости», Yanshilixue Yu Gongcheng Xuebao/ Китайский журнал горной механики и инженерии , том. 2015. Т. 34. С. 1198–1210.

    Посмотреть по адресу:

    Сайт издателя | Google Scholar

15. У. Дж. Руан, «Модель распространения цементации в трещинах горного массива на основе зависимости вязкости растворов на цементной основе от времени», Китайский журнал горной механики и инженерии , том. 24, нет. 15, pp. 2709–2714, 2005.

    Посмотреть по адресу:

    Google Scholar

16. У. Дж. Руан, «Исследование диффузии растворов и основных свойств растворов», Китайский журнал геотехнической инженерии , том. 27, нет. 1, pp. 69–73, 2005.

    Просмотр по адресу:

    Google Scholar

17. A.